ZG20SiMn铸钢件热处理工艺

ZG20SiMn 铸钢件热处理工艺 焦何生，尚贺军 (济钢集团重工机械有限公司，山东济南250101) 摘要： ZG20SiMn 铸钢件空冷正火即可获得一定的表面硬度，但冲击韧性不足。热处理工艺试验结果表明，采用920℃风冷正火、650℃空冷回火的热处理工艺，可得到较均匀的硬度(约155HB)，其珠光体组织也较为细小、均匀，从而满足工件的力学性能要求。 关键词： ZG20SiMn；热处理工艺；力学性能 The Heat Treatment Process for ZG20SiMn Cast Steel part JIAO Hesheng， SHANG Hejun (Heavy Mechanical Equipment Company of Jinan Iron & Steel Group Co.，Ltd.，Jinan 250101) Abstract： ZG20SiMn cast steel part will provide higher surface hardness but insufficient impacttoughness after normalizing. The heat treatment process test reveals that relatively uniformhardness(about 155HB) and fine-uniform pearlitic microstructure can be obtained by means ofnormalizing from 920℃ with wind cooling and subsequently tempering at 650℃ with air coolingfor the ZG20SiMn cast steel， thus meeting the needs of part in mechanical properties. Key words： ZG20SiMn； Heat treatment process； Mechanical properties ZG20SiMn 铸钢具有良好的铸造性能及焊接性能。，一般用作铸造大截面壁厚重型铸件，如水压力机、工作缸、水轮机转轮、叶片、电站主轴、法兰、坐环等，凡是高韧易焊铸钢件均可适用。ZG20SiMn 钢铸态组织为珠光体和铁素体，正火后容易出现魏氏组织，当铸件粘砂严重时，为勺便于清砂，可予先进行一次高温(1100℃)扩散退退火。 ZG20SiMn 铸钢正火和回火是为了获得细小和均的的显微组织以改善钢的强度和韧性，热处理奥氏体化加热温度范围一般为材料的 Ac3+(40~60)℃。对于含有少量合金元素的ZG20SiMn 铸钢来说，由于铸造过程造成的合金元素的偏析和碳化物等在奥氏体中溶解不充分，造成奥氏体成分不均匀，其强韧性能很难得到充分发挥。我们为某公司生产的 ZG20SiMn铸钢工件如图1所示，试生产时的热处理工艺为：工件正火加热保温后空冷，结果强度，硬度 (b) 图1工件示意图 Fig.1 The sketch map of part 和冲击功较低，无法满足用户的要求。ZG20SiMn 铸钢的组织和提高其力学性能具有重要的应用价值，本研究拟采用增加正火后冷却速度的方法，改善组织结构，提高其力学性能，为ZG20SiMn 铸钢制定合理的热处理工艺提供试验依据。 1 试验材料与方法 1.1试验材料和性能要求 ZG20SiMn 铸钢试样的成分范围如表1。力学性能试样取自铸造试样块，冲击试样加工成10 mmx10 mmx55 mmV型缺口试样，拉伸试样加工成中10mm 的标准试样。经过正火和 表1ZG20SiMn 铸钢试样的化学成分(质量分数，%) Table1：1Chemical composition of ZG20SiMn cast steel sample (%， mass fraction) Chemical composition 化学成分 C Si Mn P S Cr Ni Cu Nb V Set value 设定值(%) max 0.18 0.6 1.5 0.04 0.04 min 1.1 actual value (实测值) 0.15 0.40 1.44 0.020 0.012 0.140 0.140 0.090 0.004 0.003 回火热处理的试样，测定其冲击功及抗拉强度等力学性能，工件力学性能要求如表2所示。冲击设备为 JBD-300W 型冲击试验机，拉伸试验在 WE-600 型万能材料试验机上进行，用HB-3000型布氏硬度计测定热处理后试样的硬度。用光学显微镜进行金相组织观察，腐蚀剂采用4%的硝酸酒精溶液。 表2ZG20SiMn 铸钢件的力学性能要求 Table2 Requirements for mechanical properties of ZG20SiMn Cast Steel Mechanicalproperties机械性能 Yield pointRe/Rp 0，2屈服点 [N/mm21 Tensilestrength抗拉强度RM [N/mm21 Elongation伸延率[%] Hardness 硬度[HB1 Impact test冲击试验 Temp[C] measured value冲击值 [J] Set value设定值 max 170 20 min 295 490 25 130 29 1.2试验方法 试验采用高温台车炉，原热处理工艺为：工件加热到650℃保温2h，再升升至920℃保温11h空冷正火，至室温后再加热至650℃保温11h空冷回火。结果试样的平均硬度为 110HB，冲击韧度在26~32J之间波动。 钢中珠光体的机械性能，主要取决于钢的化学成分和热处理后所获得的组织形态。低合金铸钢在获得单一片状珠光体的情况下，其机械性能与珠光体的层间距离、珠光体团的直径和珠光体中铁素体片的亚晶粒尺寸有着密切的关系。珠光体团直径和和间距离越小，强度越高，塑性也大。其原因主要是由于铁素体与渗碳体片薄时，相界面增多，在外力作用下，抗塑性变形能力增高，而且由于铁素体、渗碳体片很薄，会使钢的塑性变形能力增大。珠光体团直径减小，表明单位体积内珠光体片层排列方向增多，每一有利于塑性变形的尺寸减小，使局部发生大量塑性变形引起应力集中的可能性减小，因而既增高了强度又提高了塑性[3.4]，本研究通过提高冷却速度，增加过冷度，降低珠光体形成温度，细化珠光体层间距离来提高工件的强度、硬度和冲击韧性。经试验摸索得出的热处理工艺如图2所所。 2试验结果与讨论 2.1显微组织 ZG20SiMn 铸钢件经风冷正火和空冷回火后得到铁素体和珠光体组织，或者说是铁素体和渗碳体的机械混合物如图3所示。风冷正火的珠光体是在较大的过冷度下得到的，因而对低合金铸钢来说，析出的先共析铁素体较少，珠光体数量较多，珠光体片间距较小。风冷正火由于转变温度较低，珠光体成核率较大，因而珠光体团的尺寸较小。 时间/h 图2 ZG20SiMn 铸钢件的热处理工艺 Fig.22Heat treatment process for ZG20SiMn cast steel part 100× 400× 图3 ZG20SiMn 铸钢 正火+回火铁素体+珠光体 Fig3 ZG20SiMn cast steelnormalizing+ temperingferrite+pearlite 2.2机械性能与硬度 片状珠光体的机械性能主要决定于片间距和珠光体团的直径，珠光体团的直径和片间距越小，钢的强度和硬度越高。珠光体团和片间距的尺寸减小，相界面增多，对位错运动的阻 表3 ZG20SiMn 铸钢试样的机械性能结果 Table3 The result of mechanical properties of ZG20SiMn Cast Steel sample Mechanicalproperties机械性能 YieldpointRe/Rp 0，2屈服点[N/mm²1 Tensilestrength抗拉强度RM [N/mm] Elongation伸延率% Hardness硬度[HB] Impact test冲击试验 Temp measuredvalue 冲击值 [J] Actual value实测值 380 515 29.0 155~165 20 100， 104，113 碍增大，塑性变形抗力增大，故强度、硬度提高。片间距减小能提高塑性，这是因为渗碳体片很薄时，在外力作用下可以滑移，产生塑性变形，也可以产生弯曲。而珠光体片间距大小取决于形成温度，高温形成的珠光体片间距较大，低温形成的较小。ZG20SiMn 铸钢风冷正火和空冷回火后的机械性能如表3所示，与表2对比可知，使用改进后的热处理工艺完全满 足了工件的力学性能要求。 3 结论 ZG20SiMn 铸钢件风冷正火提高了冷却速度，增加过冷度，降低珠光体形成温度，细化珠光体层间距离，改善了组织结构，提高了工件的强度、硬度和冲击功，从而满足了工件的力学性能要求。本文所采取的措施均是笔者在实际生产中经过实践证明的，希望能对以后的工程施工提供一定的参考。 ( 参考文献： ) ( [1]成大先主编，机械设计手册(第1卷) [M].北京：化学工业出版社.2002. ) ( [2]姚宏伟，黄汝清，李大平，姚德伟，杨弋涛. ZG70Cr3NiMo 耐磨铸钢件热处理工艺的改进 [].热处理，2 0 05，(3)：4 4 -47. ) ( [3]夏立方主编.金属热处理工艺学[M].哈尔滨： 哈 尔滨工业大学出版社.2007. ) ( [4]崔忠折，刘北兴编.金属学与热处理原原[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.1998. )